岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法

摘要

本发明公开一种岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，基于拉格朗日方程而测量，在岸滩表面放置拉格朗日粒子，使其跟随流体运动，实时记录粒子的运动时间和运动轨迹，并记粒子的势能为0，动能为mV

说明书

技术领域

本发明涉及水工物理模型试验领域，尤其涉及一种岸滩表面流速拉格朗日粒子追 踪测量方法。

背景技术

水流表面流速是水体运动的主要特征参量，是水工物理模型试验观测的基础试验 数据之一。国内外学者对应用于水工物理模型表面流速测量的方法进行了广泛地研究， 主要可以分为接触式和非接触式两类。

其中，接触式包括毕托管流速测量法、旋桨式流速测量法、热线流速测量法和电 磁流速测量法等。由于岸滩水体水深浅，边界影响大，流态复杂，因而传统的接触式 测量方法受安装条件的限制，很难达到试验要求。

非接触式主要有粒子图像测速技术(PIV)、光电非接触式测量技术等。而粒子图 像测速技术(PIV)存在以下方面的技术问题：

1、大多PIV产品是基于快速Fourier变换的互相关算法，仅适用于粒子浓度高且 粒子图像在被删区不重叠的测量；

2、由于水体和岸滩的相互作用，需要涉及到近岸边界处的速度矢量识别；

3、由于激光能量较高，在固体边界上不可避免会产生强烈的反光，这给按粒子成 像来获得速度的互相关算法的使用造成了极大的困难；

4、现有的PIV测量技术是以充满运动液体质点的空间流场为对象，研究各时刻质 点在流场中的变化规律，该方法很难有效地考察水体和污染物在岸滩上的传播特点及 滩槽水体的交换。

发明内容

为了克服现有技术下测量精度低、测量速度慢的技术问题，本发明提供一种岸滩 表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法。该方法以拉格朗日动力学方程为指导，采用粒 子(称为拉格朗日粒子)跟随流体质点运动，记录该质点在运动过程中物理量随时间 变化规律，然后综合所有质点的运动，反演出整个流体表面流速的变化。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，基于拉格朗日方程而测量，拉格 朗日方程如下：

其中，是拉格朗日量，是动能减去位势的差，q＝(q₁，q₂，…，q_N)是 随时间t变化的广义坐标，是广义速度，在岸滩表面放置拉格朗 日粒子，使其跟随流体运动，实时记录粒子的运动时间和运动轨迹，并记粒子的势能 为0，动能为mV²/2，通过拉格朗日方程计算出粒子的速度，将粒子的速度记为岸滩表 面的流体流速。

上述，在岸滩表面放置拉格朗日粒子，并实时记录粒子的运动时间和运动轨迹， 计算出速度的实现方法为：

设置一流体场，包括水槽，水槽中划分为主流槽和模拟岸滩两部分；取模拟岸滩 上表面一段长度作为刻度区，在刻度区沿横、纵两方向都画有刻度线；将拉格朗日粒 子，在测量前静置于起始刻度线上，在水槽中冲入水后粒子随流体流动；在水槽的上 方用摄像机连续拍摄粒子的运动图像，并用计算机拟合成一张完整的图片，记录毎帧 图像的拍摄时间和该时刻的粒子的坐标，用拉格朗日方程计算出粒子的运动速度。

所述的拉格朗日粒子可以有多颗，用不同的颜色标记，通过计算不同粒子的速度 的平均值，记为岸滩表面的流速。

进一步讲，所述的拉格朗日粒子可以为轻质磁性粒子。此时可在水槽的下游槽壁 上设置磁铁或其他吸磁装置。

进一步讲，所述模拟岸滩在主流槽的侧面设置，与主流槽之间形成台阶形式。

进一步讲，主流槽的底表面也画有与岸滩表面同样的刻度线。

所述摄像机拍摄范围应能覆盖到刻度区的首尾刻度线，刻度区并用光源照明。

测试用的所述流体为循环流体。

本发明所提供的岸滩表面流速拉格朗日粒子追踪测量方法，有如下有益效果：1、 以水流中的粒子为研究对象，采用拉格朗日粒子直接追踪法，始终跟随流体质点运动， 记录该质点在运动过程中物理量(移动距离)随时间的变化规律，综合所有质点的运 动，就能反演出整个流体表面流速的变化。该方法具有较快的测量速度和较高的测量 精度。2、高速摄像机拍摄到动态粒子图像传输给计算机，获得整个流体表面流速的变 化，既可以用于低浓度粒子图像，也可以适用高浓度粒子图像，适用性强。3、采用本 发明所提供的测量系统，测量速度快、测量精度高；结构简单，易操作，且成本低。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图。

1-水槽，11-主流槽，12-模拟岸滩，13-刻度线，2-拉格朗日粒子，3-摄像机，4- 光源，5-采集卡，6-计算机，7-磁性装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明技术方案作进一步详细描述。以下实施 例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明保护的范围。

根据拉格朗日原理，假设一个物理系统符合完整系统的要求，即所有广义坐标都 互相独立，则拉格朗日方程成立，即：

其中，是拉格朗日量，是动能减去位势的差，q＝(q₁，q₂，…，q_M)是 随时间t变化的广义坐标，是广义速度。

由此可知，在流体力学中，物理系统完全符合完整系统的要求，流体中各运动质 点符合拉格朗日方程，如果在系统中选定多个质点，只要知道各质点的动能和位势、 坐标、运动时间、运动速度，这些量中的某三种量，就可以求出另外的一个量(动能 和速度相关，位势和高度即坐标相关)。

基于上述指导思想，本发明在研究流体岸滩表面流速时，只要在岸滩表面设定多 个粒子，跟随流体质点运动，通过测量粒子在某一段距离内流动的时间，流动时的坐 标，以及流动时的动能和位势变化，即可以根据拉格朗日方程计算出粒子的速度，由 此等效为流体的流速。由于测试的是岸滩表面流速，所以可近似认为粒子的位势为0， 粒子的动能与速度相关，为：

E＝mV²/2

由此可知，只要知道时间和坐标，即可求出速度。

为了实现上述测量，本发明核心是构造一个模拟的流体场，基于拉格朗日粒子追 踪技术而设计，流体场中设置拉格朗日粒子，拉格朗日粒子能够始终跟随流体质点运 动，能够模拟岸滩表面流速。

该流体场设计如下：

如图1所示，设置了一水槽1，水槽模拟自然界中水流与岸滩的构造，分为主流 槽11和模拟岸滩12两部分，其中模拟岸滩是在主流槽的一侧或两侧，以高于主流槽 的台阶方式展现，即主流槽与岸滩之间形成台阶。

在模拟岸滩12上表面的一段长度上，沿横、纵两方向都画有刻度线13。较佳的 是，在对应该岸滩处的主流槽11的底表面也画有同样的刻度线。设置刻度线的原因是： 要在此岸滩处放置轻质的拉格朗日粒子2，刻度线是用于测量流动粒子的移动距离的， 如果一旦粒子从岸滩上掉落到主流槽中，也一样可以测量到。

供水装置包括水泵和地下水库，在水槽1的一端，设置有水泵，水泵的出口端设 置在水槽的进水口处，泵的进口端与地下水库连接，水槽的出口与地下水库连接(图 中水泵和地下水库均没有画出)。水库中的水经过水泵泵入到水槽中，在水槽中流过， 其中包括了在主流槽中和在模拟岸滩上会以不同的速度流动(因为水位高度不同，可 能造成流速不同；另外上层水流容易发生紊流，下层水流相对比较平稳，这也是测量 岸滩表面流速的目的)。水槽的出水进入地下水库，再从地下水库继续泵入到水槽，如 此形成循环流动，造成连续水流。水的流速通过水泵控制，上述水泵可以设置一台， 也可以设置多台。

在水槽1的上方，较佳是对着有刻度的水槽的上方，架设有一高速摄像机3，和 一强光源4，摄像机的拍摄范围应能覆盖到刻度区的首尾刻度线，强光源是为了更好 的照明，照清楚水底移动的拉格朗日粒子2。高速摄像机3采集到的图像通过采集卡5 存储，然后发送给后台计算机6，或者直接传输给计算机。

为了便于回收拉格朗日粒子2，将粒子选用磁性粒子(此时必须保证水槽不能用 吸磁材料制作，否则会将粒子吸走)，在水槽1的下游或出口端的槽壁上设置有磁铁或 其他吸磁装置7。

为了更好的模拟水流状态，本发明中使用多个不同颜色标记的拉格朗日粒子来测 试，优选7个具有不同色彩的拉格朗日粒子模拟测试岸滩表面的流速，选取7个是因 为自然界有赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种基本彩色色调。通过多个粒子的测量结 果应用拉格朗日方程，可以折算出平均流速，这样可以更客观的测得流速。

使用本系统的测量方法是：系统各设备准备就位，让强光源入射，摄像机打开； 预先在水槽中岸滩表面放置好粒子，不同颜色，每一颗粒子都放置在刻度区的起始刻 度线上。然后向水槽中放水，粒子随着水流向前流动。摄像机连续拍摄，直至所有粒 子越过刻度区的末端刻度线。摄像机将拍摄的所有图片发送到计算机拟合，拟合出每 个粒子的运动轨迹。

设有1、2、3……M颗粒子，根据相机拍摄毎帧图像的时间，以及拍摄时的坐标(坐 标由刻度反应)，根据拉格朗日方程，就可计算出每一颗粒子随水流移动过程中的速度， 记为V₁、V₂、V₃……V_M。取各颗粒子的速度平均值，就默认为是岸滩表面的流速。

本发明以拉格朗日粒子为研究对象模拟岸滩表面的质点运动，记录该质点在运动 过程中物理量随时间变化规律，综合所有质点的运动，能反演整个流体表面流速的变 化。避免了现有技术中，由于以充满整个空间流场的质点为研究对象，而不能有效地 描述流体表面流速变化的缺陷，提高了整个测量精度和测量效率，可以进一步研究水 流在岸滩上的传播特点及在滩槽水体间的交换。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进 和变型也应视为本发明的变化范围。